KR101900031B1 - 바이오가스 고질화 전처리 방법 - Google Patents

바이오가스 고질화 전처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기성 폐기물에서 혐기성 소화로 발생하는 바이오가스에 포함된 수분, 실록산, 황화물, 식물성 오일 및 휘발성 유기화합물을 제거하는 바이오가스 고질화 전처리 방법에 관한 것으로서, 물로 윤활하는 오일프리타입(oil free type) 압축기를 사용하여 바이오가스를 압축하는 압축 단계를 포함하는 바이오가스 고질화 전처리 방법에 관한 것이다.

Description

바이오가스 고질화 전처리 방법{PRE-TREAMENT METHOD FOR BIOGAS PURIFYING}
본 발명은 유기성 폐기물에서 혐기성 소화로 발생하는 바이오가스에 포함된 수분, 실록산, 황화물, 식물성 오일 및 휘발성 유기화합물을 제거하는 바이오가스 고질화 전처리 방법에 관한 것으로서, 물로 윤활하는 오일프리타입(oil free type) 압축기를 사용하여 바이오가스를 압축하는 압축 단계를 포함하는 바이오가스 고질화 전처리 방법에 관한 것이다.
우리나라와 같이 에너지 공급의 해외 의존도가 높은 나라에서는 에너지 수급의 불안정에 대비하여 국내에서 조달할 수 있는 신재생 에너지원의 개발이 매우 절실한 상황이다. 이를 위하여 우리나라에서는 지난 십 수년간 막대한 재원을 투자하여 신재생 에너지의 개발에 힘을 쏟고 있는 실정이다.
이처럼, 신재생 에너지원의 개발 필요성이 증대되고 있는 상황 하에서 국제적으로 유기성 폐자원의 에너지화에 대한 관심이 증대되고 있는 바, 그 중에서 유기성폐기물의 바이오가스화에 대한 관심이 증대되고 있다.
특히, 우리나라는 전국적으로 음식물류 폐기물, 가축분뇨 및 하수슬러지 등 다양한 유기성 폐기물이 다량 배출되고 있으나, 그 간의 폐기물 정책은 발생된 폐기물의 처리에 초점을 맞추어 왔고, 처리시설의 부적절한 관리는 악취 및 공해 물질 발생이라는 공해 및 환경문제를 야기시킴에 따라 지역주민의 부정적인 인식을 유발하게 되면서 환경기초시설을 혐오시설로 인식하게 되는 악순환이 되풀이되어 "님비(NIMBY)현상"과 같은 지역 이기주의를 가져와 사회적인 이슈 및 정책적 갈등요소로 나타나는 문제점이 있었다.
이에 우리나라의 정부에서는 그동안 단순 처리 및 물리적 재활용 개념에서 유기성 폐자원을 에너지화하는 정책으로 패러다임을 전환하고, 효과적이고 효율적인 폐기물 처리 및 에너지화 사업을 추진함으로써, 국가경제 및 환경보전에 기여할 수 있도록 하면서 유기성 폐자원을 포함한 폐자원의 에너지화 기술 개발에 많은 투자를 하고 있는 실정이다.
그러나, 우리나라의 경우, 최근까지도 하수처리장 등 혐기성 소화조에서 발생되는 혐기성 바이오가스의 자원화 현황을 살펴보면, 대부분 소화조 가온에 사용하고 있으며, 바이오가스를 이용한 단순 소각 처리하거나 보일러, 발전 연료로 활용되고 있는 수준에 머무르고 있는 실정이다.
이는 하수처리장, 축산분뇨, 음식물쓰레기, 도축 잔재물 등과 같은 유기성 폐기물은 산소가 존재하지 않는 상태인 혐기성(Anaerobic)소화를 통해 메탄 45~60%, 이산화탄소 25~50%, 질소(N2) 0~10% 및 미량의 황화물, 실록산, 암모니아로 바이오가스가 구성되어 있고, 이처럼, 상기 바이오가스의 주성분인 메탄 이외에 악취 유발물질인 황화물 등 각종 휘발성 유기화합물(VOC) 및 불순물을 포함하고 있는 관계로, 주변 환경 영향과 연료로 활용 시 기기의 부식, 효율저하 등의 문제점으로 인해서 이에 대한 적정 처리가 요구되고 있다.
따라서, 혐기성 바이오가스를 천연가스 자동차 대체연료, 도시가스 대체연료, 신재생 에너지 사업, 연료전지 사업 등에 공급되는 천연가스 대체연료로서 사용이 가능하도록 하기 위해서는 바이오가스 내 메탄을 95%이상의 고순도 바이오메탄 생산할 수 있는 고순도 바이오메탄 정제시설을 갖추고, 그에 따른 기술력을 확보해야만 하는 것이다.
최근 전 세계적으로 신재생 에너지에 대한 관심의 증가로 바이오가스의 이용에 대한 외국의 기술은 고순도 메탄 생산 기술을 확보하고 있으며, 고순도 메탄을 이용한 개질 통한 신재생 에너지 산업에 들어가 있는 실정이나, 국내 실정은 전술한 바와 같이 아직까지 단순히 바이오가스를 이용한 소각, 보일러연료 등 단순 이용 수준에 머물러 있기 때문에, 이산화탄소, 질소를 제거하는 바이오가스 고질화 방법과 황화물, 실록산, 실물성 오일 기타 휘발성 유기화합물 등의 미량의 불순물을 제거하는 바이오가스 고질화 전처리 방법에 대한 투자가 절실하다 할 수 있다.
특히 이산화탄소, 질소를 제거하는 바이오가스 고질화 방법을 적용하기 전 공정으로써, 본 발명과 같은 이산화탄소 등의 제거 효율을 높이기 위한 황화물, 실록산, 실물성 오일 기타 휘발성 유기화합물 등의 미량의 불순물을 제거하는 물로 윤활하는 오일프리타입(oil free type) 압축기를 사용하는 바이오가스 고질화 전처리 방법을 적용하는 공정은 전무한 실정이다.
한국공개특허 제10-2011-0015507호에서도 잠수스크류식 압축기를 이산화탄소를 제거하는 바이오가스 고질화 방법에 적용하고 있을 뿐이다.
또한, 바이오가스 고질화 전처리 방법에 적용되는 가스 압축기는 오일을 전혀 사용하지 않는 오일 프리 타입(Oil Free Type)이 가장 이상적이지만, 상기 가스 압축기 적용을 위해서는 바이오가스 내 이 물질을 제거하기 위한 전처리 시설이 추가로 필요하여 시설 운영시 유지관리 비용 증가의 문제점이 발생하고, 바이오가스는 포화 수분 조건으로 공급되고 부식성 물질이 있어 가스 압축시 응축수가 발생하고 응축수에 부식성 물질이 용해되어 산 성분으로 변경되어 가스 압축기 하우징을 파손하는 문제 발생된다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 일부 시설에는 오일로 윤활되는 오일 윤활식 가스 압축기를 적용하여 가스 압축기의 부식을 방지하였다. 그러나 상기 오일은 압축기에서 바이오가스와 함께 토출되어 바이오 전처리 시설 내 흡착제 및 필터 멤브레인를 오염시켜 추가적인 필터링 내지 흡착제가 필요하다.
또한 혐기성 소화시설의 경우 가스 발생량 증대 및 운전 효율 증대를 위해 음식 폐기물과 일정 비율 혼합하여 운전하는 추세이며, 음식물의 경우 식물성 오일(cymene, Limonene 등)의 불순물이 높은 특징을 나타내고 있으며, 상기 물질은 오일 필터를 이용한 시설에서는 제거가 불가능하며, 이를 제거하기 위해서는 흡착 시스템이 적용되어야 한다. 바이오가스 내 상기 물질의 함유량은 100 ∼ 1,000 ppm 사이의 함유량을 나타내어 흡착제 사용시 운전 비용이 상승하는 문제점이 발생하며, 압력순환공정(PSA) 및 멤브레인 시설에서 운전 효율 저감시킨다.
한국공개특허 제10-2009-0080473호 한국공개특허 제10-2011-0015507호
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 이산화탄소, 질소를 제거하는 바이오가스 고질화 방법을 적용하기 전 공정으로써, 이산화탄소 등의 제거 효율을 높이기 위한 황화물, 실록산, 실물성 오일 기타 휘발성 유기화합물 등의 미량의 불순물을 제거하는 바이오가스 고질화 전처리 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 바이오가스 고질화 전처리 방법에서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 압축 단계에서 오일 대신 물을 사용함으로써 윤활제로 쓰인 오일로 인한 흡착제 오염, 멤브레인 표면 오염을 막고 추가적인 필터링 내지 흡착제를 배제하고, 바이오가스 내 식물성 오일을 물에 용해시켜 응축수로 배출시킴으로써 후단의 불순물 제거 단계의 운전 부하량을 감소시키는 바이오가스 고질화 전처리 방법을 효율적으로 구성하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하기 위한 다른 과제는 오일 대신 물을 사용함으로써 압축 단계의 운전 온도를 낮추어 압축 단계에서 응축수를 생성시키고 아울러 생성된 응축수는 투입된 물과 함께 제거하는 것이다.
상기 과제를 달성하기 위해 본 발명은 유기성 폐기물에서 혐기성 소화로 발생하는 바이오가스에 포함된 수분, 실록산, 황화물, 식물성 오일 및 휘발성 유기화합물을 제거하는 바이오가스 고질화 전처리 방법에 관한 것으로서, 물로 윤활하는 오일프리타입(oil free type) 압축기를 사용하여 바이오가스를 압축하는 압축 단계를 포함하는 바이오가스 고질화 전처리 방법을 제공한다.
또한, 상기 압축 단계에서 사용되는 압축기는 스크류식 압축기인 것을 특징으로 하는 바이오가스 고질화 전처리 방법일 수 있다.
또한, 상기 압축 단계 전, 공급된 바이오가스와 물을 교반기에 투입하여 교반하는 교반 단계 및 상기 교반된 바이오가스와 물을 상기 압축기에 투입하는 투입 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 고질화 전처리 방법일 수 있다.
또한, 상기 압축 단계 후, 상기 압축기로부터 배출된 바이오가스와 물을 분리하는 분리 단계 및 분리된 물의 전체 중량 대비 20~40%를 배수하는 배수 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 고질화 전처리 방법일 수 있다.
또한, 상기 압축 단계에서 압축하는 압력은 7~10 barg 인 것을 특징으로 하는 바이오가스 고질화 전처리 방법일 수 있다.
또한, 상기 배수 단계에서 배수하고 남은 물을 20~40℃로 냉각 및 필터링하여 압축기에 재투입하는 재투입 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 고질화 전처리 방법일 수 있다.
또한, 상기 분리 단계에서 분리된 바이오가스를 5~20℃로 냉각시키는 냉각 단계, 상기 냉각 단계에서 냉각된 바이오가스에서 발생하는 응축수를 제거하는 응축수 제거 단계, 상기 응축수 제거 단계에서 응축수가 제거된 바이오가스에 잔존하는 수분을 제거하는 수분필터를 사용하는 수분 제거 단계 및 상기 수분 제거 단계를 통과한 바이오가스 내 미량 잔존하는 수분, 실록산, 황화물, 식물성 오일 및 휘발성 유기화합물을 제거하는 흡착식 드라이어를 사용하는 분순물 제거 단계를 더 포함하는 바이오가스 고질화 전처리 방법일 수 있다.
또한, 상기 분순물 제거 단계에서 사용하는 흡착식 드라이어는 자갈층, 활성 알루미나층, 몰레큐라 시브층 및 활성탄층을 포함하는 점을 특징으로 하는 바이오가스 고질화 전처리 방법일 수 있다.
또한, 상기 흡착식 드라이어는 상부부터 자갈층, 활성알루미나층, 몰레큐라 시브층, 활성탄층, 자갈층 순서로 층별로 충진된 점을 특징으로 하는 바이오가스 고질화 전처리 방법일 수 있다.
본 발명은 이산화탄소, 질소를 제거하는 바이오가스 고질화 방법을 적용하기 전 공정으로써, 이산화탄소 등의 제거 효율을 높이기 위한 황화물, 실록산, 실물성 오일 기타 휘발성 유기화합물 등의 미량의 불순물을 제거하는 바이오가스 고질화 전처리 방법을 제공한다.
본 발명에서는 바이오가스 전처리 방법에서 압축 단계에서 윤활제로써 오일 대신 물을 사용함으로써 윤활제로 쓰인 오일로 인한 흡착제 오염, 멤브레인 표면 오염을 막고 추가적인 필터링 내지 흡착제를 배제하고, 바이오가스 내 식물성 오일을 물에 용해시켜 응축수로 배출시킴으로써 후단의 불순물 제거 단계의 운전 부하량을 감소시키는 바이오가스 전처리 방법을 효율적으로 구성하였다.
또한, 오일 대신 물을 사용함으로써 압축 단계의 운전 온도를 낮추어 압축 단계에서 응축수를 생성시키고 아울러 생성된 응축수는 투입된 물과 함께 제거할 수 있게 되었다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오가스 전처리 방법을 개략적으로 보여주는 블록도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오가스 전처리 방법을 개략적으로 보여주는 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 흡착식 드라이어의 구조를 개략적으로 보여주는 개략도이다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기의 설명은 하나의 실시예에 대한 구체적 설명이므로, 비록 단정적, 한정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위가 제한되지 않는다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 전처리 방법은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 유기성 폐기물에서 혐기성 소화로 발생하는 바이오가스에 포함된 수분, 실록산, 황화물, 식물성 오일 및 휘발성 유기화합물을 제거하는 바이오가스 전처리 방법에 관한 것으로서, 물로 윤활하는 오일프리타입(oil free type) 압축기(3)를 사용하여 바이오가스를 압축하는 압축 단계(S3)를 포함한다.
본 발명에서 사용하는 물은 상온의 수돗물이 될 수 있다.
본 발명에서 사용하는 물로 윤활하는 오일프리타입(oil free type) 압축기(3)는 통상적으로 오일로 윤활하는 압축기와 달리 오일이 전혀 사용되지 않는 물로 윤활하는 압축기를 말하며, 한국공개특허 제10-2009-0080473호 등에 개시되어 있다.
기존에는 오일 윤활식 가스 압축기를 적용하여 가스 압축기의 부식을 방지하였으나, 윤활제로 쓰인 오일은 바이오 전처리 시설 내 흡착제 오염, 멤브레인 표면 오염되며 이러한 문제점을 방지하기 위해 추가적인 필터링 내지 흡착제가 필요하였다. 또한 바이오가스 내 식물성 오일로 인한 후단의 불순물 제거 단계의 운전 부하량을 감소시키는 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서는 물로 윤활하는 오일프리타입(oil free type) 압축기(3)를 사용함으로써 상기와 같은 문제를 해결하였다.
또한 바이오가스 압축시 오일이 사용되는 경우 압축기(3) 내 온도가 100~200℃까지 상승되나 물이 사용되는 경우는 20~60℃로 낮은 온도를 유지할 수 있다. 따라서 차후 5~20℃의 온도로 바이오가스 냉각시 전력 소모를 줄일 수 있고, 압축 단계(S3)에서 바이오가스 내의 포화상태에 가까운 수분이 응축되어 응축수가 생성되고 사용된 물과 섞이게 되므로 압축 단계(S3)를 거친 물의 20~40%를 교체해 줌으로써 바이오가스에 포함된 수분의 효율적 제거가 가능하다.
나아가 분리 단계(S4)를 거친 바이오가스의 냉각시 발생하는 응축수를 제거하는 응축수 제거 단계(S8)의 효율을 높일 수 있다.
또한 오일 대신 물이 사용되고 물의 온도가 낮으므로 바이오가스에 포함된 실록산, 황화물 및 휘발성 유기화합물 등의 불순 물질이 오일보다는 낮은 온도, 높은 압력의 물에 더 잘 용해되어 불순 물질의 효율적 제거가 가능하다.
나아가 차후의 흡착식 드라이어(12)가 사용되는 불순물 제거 단계(S10)의 효율을 높일 수 있으며 흡착시 드라이어(12)의 수명을 늘릴 수 있다.
바람직하게, 상기 압축 단계(S1)에서 사용되는 압축기(3)는 스크류식 압축기일 수 있다.
맥동이 발생하는 왕복동 압축기보다 스크류 타입이 더 적당하며 운전 효율도 더 우수하다.
상기 압축 단계(S3) 전에는 공급된 바이오가스와 물을 교반기(1)에 투입하여 교반하는 교반 단계(S1) 및 상기 교반된 바이오가스와 물을 투입 밸브(2)를 통해 상기 압축기(3)에 투입하는 투입 단계(S2)를 포함할 수 있다.
교반기(1)는 물과 바이오가스의 접촉 면적을 최대한 크게 하는 교반기가 바랍직하다. 상기 교반 단계(S1)를 거침으로써 바이오가스 내 포화 상태의 수분이 물과 더 잘 섞일 수 있고, 압축기(3)에 투입되는 압력을 생성시킬 수 있다. 또한 압축기(3)는 물로 윤활되므로 압축기(3) 운용에 필요한 물이 투입되는 효과도 있다.
상기 압축 단계(S3) 후에는 상기 압축기(3)로부터 배출된 바이오가스와 물을 분리하는 분리 단계(S4) 및 분리된 물의 전체 중량 대비 20~40%를 배수 밸브(5)를 통해 배수하는 배수 단계(S5)를 포함할 수 있다.
본 발명의 분리 단계(S4)는 배출수 저장조(4)를 통해 수분, 실록산, 황화물, 식물성 오일 및 휘발성 유기화합물 등의 불순 물질이 상당부분 정화된 바이오가스와 물을 기액분리한다.
본 발명에 사용되는 물이 주입되는 압축기(3)는 바이오가스를 압축하므로 공기를 압축하는 경우와 달리 바이오가스 내 수분, 실록산, 황화물, 식물성 오일 및 휘발성 유기화합물 등의 불순 물질이 응축수 내에 용해되고 응축수는 압축기(3)에서 배출되는 물과 섞이게 되므로 분리된 물의 전체 중량 대비 5~10%의 배수가 필요한 공기의 경우보다 많은 양인 분리된 물의 전체 중량 대비 20~40%의 배수가 필요하다.
필요에 따라서는 물의 불순 물질의 농도를 측정해서 배수되는 물의 양을 결정하는 단계를 거친 후 해당 양의 물을 배출하는 단계(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
바람직하게는 상기 압축 단계(S3)에서 압축하는 압력은 7~10 barg 일 수 있다.
압력이 7 barg 보다 작으면 바이오가스의 역류가 일어날 수 있으며, 10 barg 보다 크다면 바이오가스 전처리 시설에 부담을 줄 수 있다.
상기 배수 단계에서 배수하고 남은 물을 재투입 밸브(6)를 통해, 상온의 물을 냉각수로 사용하는 제1 냉각기(7)를 사용하여 20~40℃로 냉각하고, 더스트 등의 입자성 물질을 필터(8)로 필터링하여 압축기(3)에 재투입하는 재투입 단계(S6)를 더 포함할 수 있다.
압축 단계(S3)를 거친 물은 온도가 상승하여 40℃보다 높을 수 있으므로 열교환기(1)를 통해 배수하고 남은 물을 20~40℃로 냉각할 필요가 있다. 물 온도가 40℃보다 높을 경우 차후 바이오가스를 5~20℃로 냉각시 소모 전력이 커질 수 있으며, 바이오가스 압축시 응축수 생성을 저해해 40℃보다 낮은 경우보다 수분 제거의 효율이 낮아질 수 있다. 또한 상기 냉각된 배수하고 남은 물을 필터(8)로 필터링하고 재순환시켜 포집된 바이오 가스와 함께 압축기(3)에 재투입함으로써 물 소비량을 줄일 수 있다.
상기 분리 단계(S4)에서 분리된 바이오가스를 제2 냉각기(9)를 사용하여 5~20℃로 냉각시키는 냉각 단계(S7), 상기 냉각 단계(S7)에서 냉각된 바이오가스에서 발생하는 응축수를 제거하는 응축수 제거 단계(S8), 상기 응축수 제거 단계(S8)에서 응축수가 제거된 바이오가스에 잔존하는 수분을 제거하는 수분 필터(11)를 사용하는 수분 제거 단계(S9) 및 상기 수분 제거 단계(S9)를 통과한 바이오가스 내 미량 잔존하는 수분, 실록산, 황화물 및 휘발성 유기화합물을 제거하는 흡착식 드라이어(12)를 사용하는 분순물 제거 단계(S10)를 더 포함할 수 있다.
상기 분순물 제거 단계(S10)에서 사용하는 흡착식 드라이어(12)는 도 3에 표시된 것과 같이 자갈층(121, 125), 활성알루미나층(122), 몰레큐라 시브층(123) 및 활성탄층(124)을 포함할 수 있다.
상기 흡착식 드라이어(12)는 상부부터 자갈층(121), 활성알루미나층(122), 몰레큐라 시브층(123), 활성탄층(124), 자갈층(125) 순서로 층별로 충진될 수 있다.
냉각 단계(S8), 응축수 제거 단계(S9) 및 불순물 제거 단계(S10) 순서로 구성되어 흡착식 드라이어(12)의 운전에 적합한 5~20℃의 바이오가스 온도 조건을 구성하고, 바이오가스 내 포화수분 중 90% 이상이 제거하여 미량의 수분, 실록산, 황화물 및 휘발성 유기화합물을 제거하기에 효율적인 조건을 제공한다.
응축수 제거 단계(S8)는 냉각 후 흘러내리는 응축수를 응축수 저장조(6)에 저장한 후 폐수처리 시설로 보내어 응축수를 제거한다.
흡착식 드라이어(12)를 사용하는 분순물 제거 단계(S10)는 도시가스 품질 검사 기준인 황화물 30mg/N㎥(0℃, 101.3kpa), 수분이슬점 -12℃이하 at 7 Mpa (대기압 기준 수분 이슬점 -60℃ 이하), 실록산 10mg/N㎥ 이하(0℃, 101.3kpa)의 조건을 만족하기 위하여 추가되는 것이다.
통상 바이오가스에 포화되어 있는 수분을 제거하기 위하여 압력을 운전 변수로 한 압력순환공정(PSA:Pressure swing adsorption) 혹은 온도를 운전 변수로 한 온도순환공정(TSA: Temperature swing adsorption)으로 구분되는 가스분리기술이 적용된 흡착식 드라이어를 통한 분순물 제거 단계을 진행하게 되는 것이다.
여기서, 본 발명에 적용되는 흡착식 드라이어(12)는 압력순환공정(PSA)가 적용된 흡착식 드라이어로써, 흡착제와 혼합가스로 이루어진 계내에서 계내의 압력순환에 의해서 생기는 흡착 평형량의 차이를 이용하여 혼합가스 중 특성성분을 선택적으로 분리하는 가스분리기술을 적용하고 있는 건조장치이다.
본 발명에 적용되는 흡착식 드라이어(12)에 투입되는 충진물 특성상 수분 이외에 이산화탄소, 황화물, 식물성 오일이 흡착되는 경우를 고려하여 바이오가스 고질화 전처리 방법에서는 드라이어 구성 물질을 다음과 같이 구성하여 적용하였다.
수분을 중점적으로 제거하는 흡착제와 재생 가능한 활성탄을 적용하여 드라이어 내 충진층을 상부부터 자갈층(121), 활성알루미나층(122), 몰레큐라 시브층(123), 활성탄층(124), 자갈층(125)으로 구성하였다.
바이오가스는 활성알루미나층(122), 몰레큐라 시브층(123), 활성탄층(124)과 접촉하여 1차적으로 수분, 식물성 오일, 실록산을 제거하고 마지막 활성탄층(124)을 통해 황화물을 제거하여 도시가스 품질에 준하는 조건의 가스를 생산할 수 있도록 구성하였다.
바이오가스 내 이산화탄소의 비율이 40% 인 점을 고려하여 수분의 흡착 특성을 강화한 제올라이트 물질을 적용된 몰레큐라 시브층(123)을 사용하여야 하며, 잔존 황화물 제거를 위해 고온 감압에서 재생이 가능한 활성탄을 적용한 것이 본 발명의 특징이다.
특히, 본 발명이 적용되는 흡착식 드라이어(12) 내에는 수분 흡수율이 좋은 흡착제인 활성 알루미나(Activated Alumina)와 제올라이트계열인 몰레큐라 시브(Molecular Sieve, 상품명), 활성탄이 충진되어 있다.
이때, 상기 흡착식 드라이어(12) 내 흡착제의 충진물의 혼합비는 몰레큐라 시브(Molecular Sieve) 60∼70wt%, 활성 알루미나(Activated Alumina) 20∼30wt%, 활성탄 10~20wt% 질량비로 구성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 충진물은 서로 혼합이 되지 않게 층을 이루게 하여 구성된다.
여기서, 상기 자갈층(121, 125)은 흡착식 드라이어(12)의 상부 및 하부에 각각 충진되어 흡착식 드라이어(12) 내 편류 현상 억제와 기류에 의한 흡착제의 뒤섞임 현상 및 배관 내 누출 현상을 방지하는 역할을 하게 된다.
그리고, 상기 활성 알루미나(Activated Alumina)층(122)은 바이오가스 내 잔여 수분 제거를 수행하는 역할을 하게 되고, 상기 몰레큐라 시브(Molecular Sieve)층(123)은 2차 수분제거를 통해서 연료화에 적합한 수분 함량을 가진 바이오가스를 생산하는 역할을 하게 된다.
여기서, 상기 제올라이트 계열인 몰레큐라 시브(Molecular Sieve)층(123)으로 수분제거하기 앞서서 활성알루미나(Activated Alumina)층(122)으로 1차 수분제거을 수행하는 이유는, 상기 제올라이트는 수분의 영향이 큰 것이 단점이기 때문이다. 또한 흡착제의 재생성도 저하시키게 되므로, 수분의 영향을 최소화하면서 흡착식 드라이어(12) 내의 흡착제의 재생성을 향상시키기 위함이다.
이때, 상기 흡착식 드라이어(12)는 2개로 운영이 되며, 한 개 칼럼이 수분제거 운전시 다른 칼럼은 운전을 위한 흡착제의 재생 과정을 통해 운전 준비 단계에 있게 된다.
이처럼, 흡착식 드라이어(12)를 통한 분순물 제거 단계(S10)은 흡착제를 통해 바이오가스 내 수분제거가 진행되는 것이다.
상기 수분제거는 바이오가스 고질화 전처리 방법의 운전압력을 제어함에 따라 진행되어 수분제거 효율을 극대화할 수 있도록 구성되어 있다.
특히, 본 발명에 따르면, 상기 흡착식 드라이어(12)를 거친 바이오가스 내 이슬점(Dew Point)은 -80℃ 이하(수분 함량 0.6㎎/㎥, 표준기준 0℃, 1기압 하)를 나타내게 된다.
그리고, 2개로 운영된 흡착식 드라이어(12)에서의 흡착제 재생 과정은 흡착식 드라이어(12)를 통해 생산된 이슬점(Dew Point) -80℃ 이하를 가지는 바이오가스 중 일부를 회수하여 흡착식 드라이어(12) 내 재생가스로 사용하게 된다.
이때, 재생가스는 흡착식 드라이어(12)에 공급 전 히터를 통해 120∼200℃까지 가열되어 흡착식 드라이어(12) 내 재생가스로 공급이 된다.
그리고, 상기 재생 과정은 고온 감압 운전 조건에서 진행이 되도록 구성함으로써, 흡착식 드라이어(12) 내 충진된 흡착제 표면에 흡착된 수분, 황화물, 실록산, 식물성 오일을 감압을 통해서 탈착을 원활히 할 수 있도록 구성되어 있다.
물론, 흡착식 드라이어(12) 운전 및 재생 시간은 18∼24시간이 일반적이며, 운전자 및 현장여건에 따라 결정되게 된다.
이렇게 흡착식 드라이어(12)를 통해 생산된 바이오가스는 이산화탄소와 질소등을 제거하는 다음 바이오가스 고질화 공정에 투입된다.
S1 : 교반단계 S2 : 압축단계
S3 : 압축단계 S4 : 분리단계
S5 : 배수단계 S6 : 재투입단계
S7 : 냉각단계 S8 : 응축수 제거단계
S9 : 수분 제거단계 S10 : 불순물 제거단계
1 : 교반기 2 :　투입 밸브
3 : 물 윤활식 오일프리타입 압축기 4 : 배출수 저장조
5 : 배수 밸브 6 :　재투입 밸브
7 : 제1 냉각기 8 : 필터
9 : 제2 냉각기 10 :　응축수 저장조
11 : 수분 필터 12 : 흡착식 드라이어
121 : 자갈층 122 :　활성알루미나층
123 : 몰레큐라 시브층 124 : 활성탄층
125 : 자갈층

Claims (9)

  1. 유기성 폐기물에서 혐기성 소화로 발생하는 바이오가스에 포함된 수분, 실록산, 황화물, 식물성 오일 및 휘발성 유기화합물을 제거하는 바이오가스 고질화 전처리 방법에 관한 것으로서,
    물로 윤활하는 오일프리타입(oil free type) 스크류식 압축기를 사용하여 바이오가스를 7~10 barg로 압축하는 압축 단계;
    상기 압축기로부터 배출된 바이오가스와 물을 분리하는 분리 단계;
    분리된 물의 전체 중량 대비 20~40%를 배수하는 배수 단계;
    상기 분리 단계에서 분리된 바이오가스를 5~20℃로 냉각시키는 냉각 단계;
    상기 냉각 단계에서 냉각된 바이오가스에서 발생하는 응축수를 제거하는 응축수 제거 단계;
    상기 응축수 제거 단계에서 응축수가 제거된 바이오가스에 잔존하는 수분을 제거하는 수분필터를 사용하는 수분 제거 단계; 및
    상기 수분 제거 단계를 통과한 바이오가스 내 미량 잔존하는 수분, 실록산, 황화물, 식물성 오일 및 휘발성 유기화합물을 제거하는 흡착식 드라이어를 사용하고 상기 흡착식 드라이어는 자갈층, 활성알루미나층, 몰레큐라 시브층 및 활성탄층을 포함하는 분순물 제거 단계;
    를 포함하는 바이오가스 고질화 전처리 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축 단계 전,
    공급된 바이오가스와 물을 교반기에 투입하여 교반하는 교반 단계; 및
    상기 교반된 바이오가스와 물을 상기 압축기에 투입하는 투입 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 고질화 전처리 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배수 단계에서 배수하고 남은 물을 20~40℃로 냉각 및 필터링하여 압축기에 재투입하는 재투입 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 고질화 전처리 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착식 드라이어는 상부부터 자갈층, 활성알루미나층, 몰레큐라 시브층, 활성탄층, 자갈층 순서로 층별로 충진된 점을 특징으로 하는 바이오가스 고질화 전처리 방법.
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